Rozvoj bioplynových technologií v podmínkách ČR Jedním z obnovitelných zdrojů energie je bioplyn vznikající jako produkt řízené anaerobní digesce v bioplynových stanicích (BPS). Hlavním účelem této technologie je však zpracování odpadů a vedlejších produktů organického původu a jejich přeměna na bioplyn a fermentovaný substrát (digestát) využitelný k hnojivářským účelům. Obzvlášť přínosné je tedy spojení této technologie se zemědělstvím, kde vzniká velké množství zbytkové biomasy a zároveň je možné využít digestát jako organické hnojivo. Anaerobní digesce Anaerobní digesce je velmi složitý biochemický proces, který se skládá z mnoha dílčích, na sebe navazujících fyzikálních, fyzikálně-chemických a biologických procesů. Zjednodušeně lze uvést, že se jedná o bioenergetickou transformaci organických látek, při které nedochází ke snížení jejich hnojivé hodnoty. Výslednými produkty jsou biologicky stabilizovaný substrát s vysokým hnojivým účinkem a bioplyn (BP) s obsahem 50 70% metanu a výhřevností cca 18 25 MJ.m -3. Anaerobní rozklad organických látek je ovlivňován celou řadou faktorů, které mění životní prostředí mikroorganismů a mají zásadní vliv na průběh celého procesu. Jedná se zejména o tyto faktory: vlhkost prostředí metanové bakterie mohou pracovat a množit se pouze ve vlhkém prostředí (vlhkost minimálně 50%), teplota prostředí tvorba metanu probíhá v širokém rozmezí teplot (4-90 C). Pro udržení stability procesu je rovněž nutné zajistit konstantní teplotu, hodnota ph optimální ph pro růst metanogenních mikroorganismů je 6,5-7,5, přísun živin metanové bakterie potřebují pro svou buněčnou stavbu rozpustné dusíkaté sloučeniny, minerální látky a stopové prvky, přítomnost toxických a inhibujících látek za toxické nebo inhibující látky pokládáme látky, které nepříznivě ovlivňují biologický proces. Nejčastěji se setkáváme s inhibičním působením mastných kyselin a amoniaku, zatížení vyhnívacího prostoru udává, jaké maximální množství organické sušiny na m 3 a den může být dodáváno do fermentoru, aby nedošlo k jeho přetížení, rovnoměrný přísun substrátu aby nedošlo k nadměrnému zatížení fermentoru, je třeba zajistit rovnoměrný přísun substrátu. Teplota ovlivňuje anaerobní digesci stejně jako všechny ostatní biochemické procesy se zvyšující se teplotou vzrůstá rychlost všech probíhajících procesů. Avšak změnou teploty a tím i rychlosti probíhajících pochodů dochází k porušení dynamické rovnováhy procesu. Pro stabilní průběh anaerobního rozkladu je tedy nutné udržovat konstantní teplotu. Většina v současnosti provozovaných bioplynových stanic pracuje v mezofilní teplotní oblasti, tj. 35-42 C. Jakou biomasu lze využít k výrobě bioplynu Nejvíce materiálů vhodných pro výrobu bioplynu je produkováno v zemědělství. Jedná se zejména o exkrementy hospodářských zvířat, vedlejší produkci z rostlinné výroby i cíleně pěstované plodiny. Velké množství zbytkové biomasy je vyprodukováno také v navazujícím potravinářském průmyslu. Významný potenciál pro budoucí energetické využití v sobě zahrnují také biologicky rozložitelné komunální odpady. Vyprodukovanou biomasu lze rozdělit na dvě základní skupiny záměrně pěstovanou a odpadní: 1) Biomasa záměrně pěstovaná k tomuto účelu:
energetické plodiny (šťovík, chrastice rákosovitá, tritikale, čirok, křídlatka, traviny apod.), olejniny (řepka olejná, slunečnice, len, dýně na semeno), škrobnato-cukernaté plodiny (kukuřice, cukrová řepa, obilí, brambory, topinambur, cukrová třtina). 2) Biomasa odpadní: odpady z živočišné výroby (exkrementy z chovů hospodářských zvířat, zbytky krmiv, odpady mléčnic, odpady z přidružených zpracovatelských kapacit), rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny (kukuřičná a obilná sláma, řepková sláma, zbytky z lučních a pastevních areálů, zbytky po likvidaci křovin a lesních náletů, odpady ze sadů a vinic), biologicky rozložitelné komunální odpady (odděleně sbíraný papír, kuchyňské odpady, kaly z čistíren odpadních vod, organický podíl směsných komunálních odpadů, odpadní organické zbytky z údržby zeleně, odpady z tržišť apod.), organické odpady z potravinářských a průmyslových výrob (odpady z provozů na zpracování a skladování rostlinné produkce, odpady z jatek, odpady z mlékáren, odpady z lihovarů a konzerváren, odpady z vinařských provozoven, odpady z dřevařských provozoven), lesní odpady (dřevní hmota z lesních probírek, kůra, větve, pařezy, kořeny po těžbě dřeva, palivové dřevo, manipulační odřezky, klest). Využitelné druhy biomasy jsou také od minulého roku stanoveny vyhláškou č. 482/2005 Sb., o stanovení druhů, způsobů využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy, ve znění vyhlášky č. 5/2007 Sb., jejíž úprava vstoupila v platnost v září 2008. V příloze č. 1 k této vyhlášce se taxativně upravuje možnost využití jednotlivých druhů biomasy k energetickým účelům. V tabulce 1 přílohy jsou taxativně určeny druhy biomasy použitelné k procesům termické přeměny a v tabulce 2 přílohy jsou taxativně určeny druhy biomasy použitelné k procesu anaerobní digescí. Obecně lze konstatovat, že využit pro anaerobní digesci může být každý organický materiál s vysokým obsahem těkavých látek a sušinou menší než 50%. Pro efektivní zpracování je však zapotřebí, aby vlastnosti použitých materiálu byly v určitém rozmezí. Základní hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1. Tab. 1: Základní vlastnosti vstupních substrátů vhodných pro anaerobní digesci Organické látky Sušina Poměr ph [% suš.] [%] C:N nad 50 5-13 (35) 20-35:1 6,5-7,5 Vlastnosti uvedené v tabulce 1 je možné ovlivnit vhodnou úpravou materiálu před vstupem do BPS, popř. složením vsázky při společné fermentaci (kofermentaci) různých druhů organických látek. Například přidáním silážní kukuřice k prasečí kejdě (s vysokým obsahem dusíkatých látek a nízkou sušinou) lze optimalizovat poměr uhlíkatých a dusíkatých látek (C:N) i obsah sušiny. Další důležitou vlastností materiálů vhodných pro anaerobní digesci je jejich biologická odbouratelnost a výtěžnost bioplynu. Většina materiálů, které jsou na farmách k dispozici,
jsou snadno biologicky rozložitelné substráty. Odbouratelnost organické hmoty těchto substrátů se pohybuje v rozmezí 60-80%. Pro většinu těchto materiálů postačí doba zdržení ve fermentoru 25-30 dní. Po této době produkce bioplynu z těchto substrátů ustává a kumulativní produkce BP se tak přibližuje maximu. Produkce BP po uplynutí 30 dní sice stále pokračuje, ale prodlužování procesu je ekonomicky nevýhodné a na celkovou výtěžnost BP má jen nepatrný vliv. Na obrázku 1 je uveden příklad kumulativní produkce bioplynu z různých hybridů kukuřice kofermentovaných s prasečí kejdou v laboratorních podmínkách. Kumulativní produkce metanu [l.kg org.suš. -1 ] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Dny 20 % prasečí kejda + 20 % digestát + 60 % kukuřice Benicia 80 20 % prasečí kejda + 20 % digestát + 60 % kukuřice Fixxif 80 20 % prasečí kejda + 20 % digestát + 60 % kukuřice Saxxo 90 20 % prasečí kejda + 20 % digestát + 60 % kukuřice Benicia 110 20 % prasečí kejda + 20 % digestát + 60 % kukuřice Fixxif 110 20 % prasečí kejda + 20 % digestát + 30 % kukuřice Saxxoo + 30 % čirok 20 % prasečí kejda + 20 % digestát + 60 % kukuřice Saxxoo 70 50 % prasečí kejda + 50 % digestát Obr. 1 Kumulativní produkce metanu z kofermentace kukuřice a prasečí kejdy Z hlediska dobrého fungování BPS je vedle správného složení surovinové skladby velmi důležité i dlouhodobé zajištění zdrojů biomasy. Ze zkušeností z již realizovanými projekty vyplývá, že právě přerušení dodávek vstupních materiálů může vést k rozkolísání procesu, poklesu produkce bioplynu a v kritickém případě i k úplnému zastavení produkce bioplynu. V těchto případech se problémy řeší rychlým sháněním náhradních vstupních materiálů z jiných zdrojů, které nemusí být optimální pro aplikovanou technologii, nebo mohou v důsledku větší dovozové vzdálenosti negativně ovlivnit provozní náklady BPS. Zařízení na výrobu bioplynu Pro zařízení na výrobu bioplynu se nejčastěji užívá název bioplynová stanice. V praxi můžeme nalézt celou řadu různých řešení bioplynových stanic, které můžeme zredukovat na několik typických technologických postupů. Tyto technologie můžeme v zásadě dělit podle: způsobu plnění, konzistence substrátu,
zda je proces jedno či vícestupňový. Konzistenci vstupního materiálu často odpovídá i zvolený způsob dávkování. Tuhé materiály (18-35% suš.) jsou obvykle dávkovány diskontinuálně a naopak tekuté materiály (4-12% suš.) jsou častěji dávkovány semikontinuálně či kontinuálně. Toto členění je však pouze orientační. Schéma obvyklého uspořádání bioplynové stanice na zpracování tekutých materiálů s vyznačením jednotlivých částí i materiálových a energetických toků je znázorněno na obrázku 2. Ukázka skutečné bioplynové stanice je uvedena na obrázku 3. Obr. 2 Schéma moderní bioplynové stanice Legenda: 1-kejda ze stáje, 1a-kejda přivážená z okolních zemědělských podniků, 2-příjem jatečních odpadů, 3-příjem kuchyňských odpadů, 4-tepelná úprava rizikových substrátů 2 a 3, 5-příjmové místo zrnin, 6-mechanická úprava zrnin (mačkání, drcení, šrotování), 7-příjem a úprava zelené biomasy, 8-fermentor se střešním plynojemem 9-kogenerační jednotka, 10-hořák zbytkového plynu, 11-zásobní jímka na digestát, 12-odvoz digestátu jako hnojiva.
Obr. 3 Bioplynová stanice ZD Krásná Hora, a.s. Hlavní důvody využívání anaerobní digesce Existují tři hlavní důvody pro využití anaerobní digesce organických materiálů pocházejících ze zemědělství, lesnictví, komunálního hospodářství a venkovské krajiny (viz Obr. 4). Obr. 4: Význam anaerobní digesce vlhkých organických materiálů Především pro zemědělské podniky je důležitá produkce kvalitních organických hnojiv. Pokud zpracovávají vlastní organický materiál a vyprodukované hnojivo využívají ve vlastním podniku a neuvádějí jej na trh, nemusí se řídit legislativními ustanoveními zákona č. 156/1998 Sb. o hnojivech ve znění pozdějších předpisů týkajícími se povinnosti registrovat hnojiva uváděná na trh. To ale neplatí pro podnikatele, který soustřeďuje odpady, anaerobní digescí je zpracovává a hnojivo uvádí na trh, ten se ustanoveními zákona č. 156/1998 Sb. řídit musí. Zlepšení pracovního a životního prostředí - tento faktor bude mít stále větší význam při rozhodování o výstavbě bioplynových stanic. Příčinou je stále se stupňující tlak ekologické legislativy, ať už se jedná o inovace zákona o odpadech, nebo zákon o IPPC, neboli o integrované prevenci před znečištěním ovzduší a registraci znečišťovatelů. Změny obou legislativních norem jsou v kompetenci MŽP. Energetické využití biomasy (včetně výroby bioplynu z ní) má příznivý vliv na omezení koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře. Při produkci biomasy je oxid uhličitý spotřebován při fotosyntéze a následně uvolněn při energetickém využití biomasy zpět do atmosféry. Tím se uzavírá časově krátký koloběh CO 2. Získání doplňkového zdroje energie nejobvyklejší variantou je výroba teplé užitkové vody a elektrické energie v kogenerační jednotce. Vyprodukované teplo i elektřinu je možné využít pro vlastní spotřebu, nebo elektřinu dodávat za garantovanou cenu do distribuční sítě. Se zvyšující se výkupní cenou elektrické energie dodávané do distribuční sítě je tato varianta stále výhodnější. Ceny elektrické energie z OZE vyhlašuje každoročně Energetický regulační úřad. Cenové rozhodnutí má platnost vyhlášky. Energetického regulačního úřadu, který stanovil minimální sazby výkupních cen elektřiny z obnovitelných zdrojů (v roce 2009 pro zemědělský bioplyn 4,12 Kč.kWh e -1 ).
Možnosti využití bioplynu Produkty anaerobní digesce jsou bioplyn a biologicky stabilizovaný substrát (digestát). Bioplyn je vysoce kvalitní obnovitelný zdroj energie, který poskytuje celou řadu možností energetického využití. Z tabulky 2 je jasně patrné, že výhřevnost BP významně ovlivňuje pouze obsah metanu (CH 4 ), který závisí především na složení vsázky a technologických parametrech BPS. Problémovou složkou BP je naopak sulfan (H 2 S), jenž je při spalování BP příčinou tvorby kyseliny sírové (H 2 SO 4 ), která při kondenzaci ze spalin způsobuje korozi. Proto se musí sulfan při vyšší koncentraci z bioplynu odstraňovat. K tomuto účelu se nejčastěji používá chemická adsorpce H 2 S do pevné látky (FeO, Fe 2 O 3 ), nebo biologická metoda využívající sirných bakterií, které v aerobním prostředí oxidují H 2 S na elementární síru a sírany v závislosti na teplotě a ph. Tab. 2: Chemické složení a vlastnosti bioplynu Charakteristika Metan Oxid Vodík Sirovodík Bioplyn CH 4 uhličitý CO 2 H 2 H 2 S CH 4 60%, CO 2 40% objemový podíl [%] 55-70 27-47 1 3 100 výhřevnost [MJ.m -3 ] 35,8-10,8 22,8 21,5 zápalná teplota [ C] 650-750 - 585-650-750 hustota [kg.m -3 ] 0,72 1,98 0,09 1,54 1,2 Bioplyn je možné využívat podobně jako jiná plynná paliva. Mezi nejčastější způsoby využití bioplynu patří: přímé spalování (topení, sušení, chlazení, ohřev užitkové vody apod.), výroba elektrické energie a ohřev teplonosného média (kogenerace), výroba elektrické energie, ohřev teplonosného média a výroba chladu (trigenerace), pohon spalovacích motorů nebo turbín pro získání mechanické energie, čištění bioplynu na kvalitu zemního plynu a jeho další využití, využití bioplynu v palivových článcích. V praxi se nejvíce setkáváme s využitím bioplynu v kogeneračních jednotkách. Tato metoda dosahuje vysoké účinnosti přeměny energie z bioplynu na elektrickou a tepelnou energii (80-90%). Zhruba lze počítat, že přibližně 35% energie bioplynu se transformuje na elektrickou energii, 55% na energii tepelnou a zbytek jsou tepelné ztráty. Na výrobu 1kWh elektrické energie (kwh e ) je potřeba spálit v kogenerační jednotce cca 0,6-0,7m 3 bioplynu s obsahem kolem 60% metanu. Na výrobu 1 kwh e a 1,27 kwh t tedy bude potřeba cca 5-7 kg odpadní biomasy, 5-15 kg komunálních odpadů nebo 4-7 kg tekutých komunálních odpadů. Výhodou tohoto způsobu využití bioplynu je možnost prodeje elektrické energie za garantovanou cenu do sítě. Zákon 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z OZE garantuje zvýhodněnou výkupní cenu elektrické energie z OZE na 15 let, konkrétní výkupní cenu pak určuje Energetický regulační úřad (ERÚ) pro jednotlivé druhy OZE zvlášť. Výkupní cena elektrické energie z bioplynu je v současnosti pro zemědělský bioplyn 4,12 Kč.kWh e -1, pro BPS zpracovávající bioodpady 3,55 Kč.kWh e -1. Další perspektivní možností je využití bioplynu pro pohon mobilních energetických prostředků. Řešením úpravy bioplynu, zvýšením jeho energetického potenciálu, vyčištěním a oddělením CO 2 od metanu se zabývá několik evropských firem. Úprava a čištění se provádí propíráním bioplynu ve vodě, nebo v různých kapalinách. Tento princip je založen na různých adsobčních a absobčních schopnostech a vlastnostech těchto kapalin, nebo aktivního uhlí, oddělovat od sebe CO 2 a metan. Další možností je oddělení složek bioplynu na molekulárních sítech. Efektivnost jímavých kapalin i aktivního uhlí je násobena zvyšováním a snižováním
teplot a tlaku během procesu absorbce i adsorbce. Tato technologie pracuje s vysokou účinností a efektivností. V návaznosti na tuto stanici je zapotřebí instalovat plnící stanici CNG. Tento systém je investičně velmi náročný, a provozně se hodí od kapacit nad 150 m 3.hod -1 surového bioplynu (kolem 1300 až 1500 tis. m 3.rok -1 ). Investice se pohybují přes 20 mil. Kč plus investice do stanice CNG. Zařízení se již používají u několika větších bioplynových stanic ve Švédsku, Holandsku a Švýcarsku, pro menší bioplynové stanice jsou ekonomicky neúnosné. Intenzivně se pracuje na menších úspornějších zařízeních. Současný stav a možnosti rozvoje BPS v ČR V současnosti je v ČR v provozu přibližně 60 bioplynových stanic. Dalších cca 20 až 30 je v různém stupni rozestavěnosti. Lze tedy konstatovat, že se nacházíme v době výrazného zájmu o tuto technologii a masivního zvyšování počtu BPS a jejich zpracovatelské kapacity. Pro porovnání v roce 2007 bylo v ČR v provozu pouhých 15 BPS. Na druhou stranu je odhadován dostupný potenciál rozvoje BPS pro ČR až na čtyřnásobek stavu na konci roku 2009. Největší potenciál rozvoje BPS je vedle zemědělství komunální sféra. Zpracování biologicky rozložitelných komunálních odpadů (BRKO) v BPS je nadějnou formou jejich odstraňování u mnohých komunálních samospráv. Předpokládá se, že města s počtem obyvatel nad 50 000 budou provozovat svá vlastní zařízení, ze kterých se bude získávat kromě elektrické energie, tepla a kompostu ještě separovaný spalitelný zbytek. To by v ČR znamenalo nejméně 24 nových bioplynových stanic. Výhledově lze předpokládat i použití podobné technologie v sídlech s více než 30 000 obyvateli, to je dalších nejméně 16 BPS. Nejméně proto, že se mohou menší sousední obce dohodnout na výstavbě společného zařízení. Zajímavou možností pro komunální bioplynové stanice je skutečnost, že mohou rovněž částečně zpracovávat místní zemědělské a potravinářské substráty. Největší překážkou pro další rozvoj bioplynových technologií v ČR nadále zůstávají jejich relativně vysoké investiční náklady a náročné bezpečnostní požadavky, které jsou především u malých bioplynových stanic velkým omezením. Investiční náklady jsou ovlivněny řadou okolností jako např. lokalitou výstavby, možností využití stávajících zařízení (jímky, silážní žlaby apod.), vybudovanou infrastrukturou v místě realizace, vlastnostmi zpracovávaného substrátu, zvolenou technologií apod. Určit měrné investiční náklady na jednotku instalovaného elektrického výkonu tedy není snadné. Z údajů ze zahraničí i z ČR však vyplývá, že měrné náklady na jednu kilowatu se s rostoucím instalovaným výkonem snižují. Proto je ekonomicky rozumnější stavět BPS od instalovaného elektrického výkonu cca 400kW e. Od této hranice už měrné náklady klesají pouze pozvolně. Odhad závislosti měrných investičních nákladů na jednotku instalovaného elektrického výkonu kogenerační jednotky je uveden na obrázku 5.
Měrná investiční náročnost bioplynové stanice 300 000 250 000 Měrné investiční náklady Kč. kw e -1 200 000 150 000 100 000 50 000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Instalovaný elektrický výkon kw e Obr. 5 Měrné investiční náklady BPS na jednotku instalovaného elektrického výkonu Další důležitou podmínkou hospodárného provozu BPS je možnost využití tepla produkovaného kogenerační jednotkou. Teplo lze využít k centrálnímu zásobování teplem v obcích, ohřevu teplé užitkové vody, vytápění stájí nebo sušení zemědělských produktů či dřeva. Neméně důležité je nutnost nalezení využití digestátu. Zde se opět nabízí spojení se zemědělstvím, kde vzniká nejvíce zbytkové biomasy a zároveň poskytuje možnost pro využití digestátu jako statkového hnojiva. Ekonomiku BPS může pozitivně ovlivnit rovněž společné zpracování biologicky rozložitelných odpadů, za jejichž likvidaci lze získat další prostředky nebo alespoň vstupní materiál zdarma. Jedná se např. o kofermentaci kejdy s fytomasou a s odpady z jatek, kuchyňskými odpady či kaly z ČOV. Zpracování kuchyňských a jatečních odpadů vyžaduje navíc investici do předúpravy těchto odpadů podle pokynů nařízení EC 1774/2002, o zpracování vedlejších živočišných produktů, které nejsou určené k lidské spotřebě. Tyto odpady musí být upraveny na určitou velikost částic a také musí být tepelně stabilizovány, přesto poplatek za jejich likvidaci může pozitivně ovlivnit ekonomiku BPS. Velkým přínosem pro ekonomiku BPS, a tím i jejich rozšíření, jak je patrné z nárůstu počtu nově vybudovaných BPS v posledních letech, bylo schválení zákona č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z OZE a postupné navyšování výkupních cen elektrické energie z bioplynu. Zákon 180/2005 Sb. garantuje zvýhodněnou výkupní cenu elektrické energie z OZE na 15 let, čímž výrazně snižuje riziko investic do vybudování a provozu BPS. Tlak na snižování skládkování bioodpadů a nárůst využívání OZE na jedné straně a zvyšování cen energií, hnojiv i poplatků za zneškodňování odpadů na straně druhé vytváří dobrou perspektivu pro další výstavbu a provoz BPS. Dalším faktorem, který výrazně napomáhá rozvoji bioplynových technologií v ČR je dotační politika EU, která se v ČR realizuje prostřednictvím operačních programů. Jedná se zejména o Operační program životního prostředí (OPŽP), spravovaný Státním fondem životního prostředí (SFŽP), déle Program
rozvoje venkova (PRV), spravovaný Státním zemědělským intervenčním fondem (SZIF) a Operační program podnikání a inovace (OPPI), spravovaný Agenturou pro podporu podnikání a investic CzechInvest. Výše podpor z těchto fondů je v poslední době mezirezortně sjednocována na úroveň 30%, což je míra, která se zdá být dostatečnou pro většinu předkládaných projektů. Tento příspěvek vychází z výsledků řešení výzkumného záměru: MZE 0002703101 Výzkum efektivního využití technologických systémů pro setrvalé hospodaření a využívání přírodních zdrojů ve specifických podmínkách českého zemědělství.. Kontaktní adresa: Ing. Oldřich Mužík, Ing. Jaroslav Kára, CSc. Výzkumný ústav zemědělské techniky, v.v.i., Drnovská 507, 161 01 Praha 6 oldrich.muzik@vuzt.cz, jaroslav.kara@vuzt.cz